Полимерни материали: технология, видове, производство и приложение

2024 Автор: Howard Calhoun | [email protected]. Последно модифициран: 2023-12-17 10:19

Полимерните материали са химически високомолекулни съединения, които се състоят от множество нискомолекулни мономери (единици) със същата структура. Често за производството на полимери се използват следните мономерни компоненти: етилен, винилхлорид, винилдехлорид, винил ацетат, пропилей, метилметакрилат, тетрафлуоретилен, стирен, карбамид, меламин, формалдехид, фенол. В тази статия ще разгледаме подробно какво представляват полимерните материали, какви са техните химични и физични свойства, класификация и видове.

Видове полимери

Характеристика на молекулите на този материал е голямото молекулно тегло, което съответства на следната стойност: М>5103. Съединенията с по-ниско ниво на този параметър (M=500-5000) се наричат олигомери. В съединения с ниско молекулно тегло масата е по-малка от 500. Разграничават се следните видове полимерни материали: синтетични и естествени. Последните включват естествен каучук, слюда, вълна, азбест, целулоза и др. Основно място обаче заемат синтетичните полимери, които се получават в резултат на процес на химичен синтез от нискомолекулни съединения. в зависимостот метода на производство на високомолекулни материали се разграничават полимерите, които се създават или чрез поликондензация, или чрез реакция на присъединяване.

Полимеризация

Този процес е комбинация от компоненти с ниско молекулно тегло в високо молекулно тегло за получаване на дълги вериги. Нивото на полимеризация е броят на "мерите" в молекулите на даден състав. Най-често полимерните материали съдържат от хиляда до десет хиляди от техните единици. Следните често използвани съединения се получават чрез полимеризация: полиетилен, полипропилен, поливинилхлорид, политетрафлуоретилен, полистирол, полибутадиен и др.

Поликондензация

Този процес е поетапна реакция, която се състои в комбиниране или на голям брой мономери от един и същи тип, или на двойка различни групи (A и B) в поликондензатори (макромолекули) с едновременното образуване на следните странични продукти: метилов алкохол, въглероден диоксид, хлороводород, амоняк, вода и др. Поликондензацията произвежда силикони, полисулфони, поликарбонати, аминопласти, фенолни пластмаси, полиестери, полиамиди и други полимерни материали.

Полидобавка

Този процес се разбира като образуване на полимери в резултат на реакции на многократно добавяне на мономерни компоненти, които съдържат ограничаващи реакционни комбинации към мономери от ненаситени групи (активни цикли или двойни връзки). За разлика от поликондензацията, реакцията на полиприсъединяване протича без никакви странични продукти. Най-важният процес на тази технология е втвърдяването на епоксидни смоли и производството на полиуретани.

Класификация на полимерите

Съставът на всички полимерни материали се разделя на неорганични, органични и органоелементи. Първите от тях (силикатно стъкло, слюда, азбест, керамика и др.) не съдържат атомен въглерод. Те са базирани на оксиди на алуминий, магнезий, силиций и др. Органичните полимери представляват най-обширния клас, те съдържат въглеродни, водородни, азотни, серни, халогенни и кислородни атоми. Органоелементните полимерни материали са съединения, които в основните вериги имат, освен изброените, атоми на силиций, алуминий, титан и други елементи, които могат да се комбинират с органични радикали. Такива комбинации не се срещат в природата. Това са изключително синтетични полимери. Характерни представители на тази група са съединения на основата на органосилиций, чиято основна верига е изградена от кислород и силициеви атоми.

За да се получат полимери с необходимите свойства, технологията често използва не „чисти” вещества, а техните комбинации с органични или неорганични компоненти. Добър пример са полимерните строителни материали: метал-пластмаса, пластмаса, фибростъкло, полимербетон.

Структура на полимерите

Особеността на свойствата на тези материали се дължи на тяхната структура, която от своя страна е разделена на следните видове: линейно-разклонена, линейна, пространственас големи молекулярни групи и много специфични геометрични структури, както и стълбище. Нека разгледаме накратко всеки един от тях.

Полимерните материали с линейно разклонена структура, в допълнение към основната верига от молекули, имат странични разклонения. Тези полимери включват полипропилен и полиизобутилен.

Материалите с линейна структура имат дълги зигзагообразни или спирални вериги. Техните макромолекули се характеризират предимно с повторения на места в една структурна група на връзка или химическа единица на веригата. Полимерите с линейна структура се отличават с наличието на много дълги макромолекули със значителна разлика в естеството на връзките по веригата и между тях. Това се отнася до междумолекулни и химични връзки. Макромолекулите на такива материали са много гъвкави. И това свойство е в основата на полимерните вериги, което води до качествено нови характеристики: висока еластичност, както и липса на крехкост в втвърдено състояние.

А сега нека разберем какво представляват полимерните материали с пространствена структура. Тези вещества образуват, когато макромолекулите се комбинират една с друга, силни химически връзки в напречна посока. В резултат на това се получава мрежеста структура, която има неравномерна или пространствена основа на мрежата. Полимерите от този тип имат по-голяма топлоустойчивост и твърдост от линейните. Тези материали са в основата на много структурни неметални вещества.

Молекулите от полимерни материали със структура на стълба се състоят от двойка вериги, които са свързани чрез химическа връзка. Те включваторганосилициеви полимери, които се характеризират с повишена твърдост, устойчивост на топлина, освен това те не взаимодействат с органични разтворители.

Фазов състав на полимери

Тези материали са системи, които се състоят от аморфни и кристални области. Първият от тях помага за намаляване на твърдостта, прави полимера еластичен, тоест способен на големи обратими деформации. Кристалната фаза помага за увеличаване на тяхната здравина, твърдост, модул на еластичност и други параметри, като същевременно намалява молекулярната гъвкавост на веществото. Съотношението на обема на всички такива зони към общия обем се нарича степен на кристализация, където максималното ниво (до 80%) има полипропилени, флуоропласти, полиетилени с висока плътност. Поливинилхлоридите, полиетилените с ниска плътност имат по-ниска степен на кристализация.

В зависимост от това как се държат полимерните материали при нагряване, те обикновено се разделят на термореактивни и термопластични.

Термореактивни полимери

Тези материали имат предимно линейна структура. При нагряване те омекват, но в резултат на химични реакции, протичащи в тях, структурата се променя в пространствена и веществото се превръща в твърдо вещество. В бъдеще това качество се запазва. На този принцип са изградени полимерните композитни материали. Следващото им нагряване не омекотява веществото, а води само до неговото разлагане. Следователно, готовата термореактивна смес не се разтваря и не се топине е позволено да се рециклира. Този тип материал включва епоксиден силикон, фенол-формалдехид и други смоли.

Термопластични полимери

Тези материали, когато се нагряват, първо омекват и след това се топят, а след това се втвърдяват при охлаждане. Термопластичните полимери не претърпяват химически промени по време на тази обработка. Това прави процеса напълно обратим. Веществата от този тип имат линейно-разклонена или линейна структура на макромолекулите, между които действат малки сили и няма абсолютно никакви химически връзки. Те включват полиетилени, полиамиди, полистироли и др. Технологията на полимерните материали от термопластичен тип предвижда тяхното производство чрез шприцоване във водно охладени форми, пресоване, екструдиране, издухване и други методи.

Химически свойства

Полимерите могат да бъдат в следните състояния: твърдо, течно, аморфно, кристална фаза, както и силно еластична, вискозна и стъклена деформация. Широкото използване на полимерните материали се дължи на тяхната висока устойчивост на различни агресивни среди, като концентрирани киселини и основи. Не са подложени на електрохимична корозия. Освен това, с увеличаване на тяхното молекулно тегло, разтворимостта на материала в органични разтворители намалява. А полимерите, които имат триизмерна структура, обикновено не се влияят от споменатите течности.

Физически свойства

Повечето полимери са изолатори, освен това те са немагнитни материали. От всички използвани конструкционни материали само те имат най-ниска топлопроводимост и най-висок топлинен капацитет, както и термично свиване (около двадесет пъти повече от това на метала). Причината за загубата на херметичност на различни уплътнителни възли при условия на ниска температура е т. нар. встъкляване на каучука, както и рязката разлика между коефициентите на разширение на метали и каучуци в стъкловидно състояние..

Механични свойства

Полимерните материали имат широк спектър от механични характеристики, които силно зависят от тяхната структура. В допълнение към този параметър различни външни фактори могат да окажат голямо влияние върху механичните свойства на веществото. Те включват: температура, честота, продължителност или скорост на натоварване, вид на напрегнато състояние, налягане, природа на околната среда, термична обработка и др. Характеристика на механичните свойства на полимерните материали е тяхната относително висока якост при много ниска твърдост (в сравнение към метали).

Полимерите обикновено се разделят на твърди, чийто модул на еластичност съответства на E=1–10 GPa (влакна, филми, пластмаси), и меки високоеластични вещества, чийто модул на еластичност е E=1– 10 MPa (гума). Моделите и механизмът на унищожаване и на двете са различни.

Полимерните материали се характеризират с изразена анизотропия на свойствата, както и намаляване на якостта, развитие на пълзене при продължително натоварване. Заедно с това теимат относително висока устойчивост на умора. В сравнение с металите, те се различават по по-рязка зависимост на механичните свойства от температурата. Една от основните характеристики на полимерните материали е деформируемостта (гъвкавостта). Според този параметър в широк температурен диапазон е обичайно да се оценяват техните основни експлоатационни и технологични свойства.

Полимерни подови материали

Сега нека разгледаме един от вариантите за практическото приложение на полимерите, разкривайки пълната гама от тези материали. Тези вещества намират широко приложение в строителни и ремонтни и довършителни работи, по-специално в подови настилки. Огромната популярност се обяснява с характеристиките на въпросните вещества: те са устойчиви на абразия, имат ниска топлопроводимост, имат малко водопоглъщане, доста са здрави и твърди и имат високи качества на боя и лак. Производството на полимерни материали може условно да бъде разделено на три групи: линолеуми (валцувани), плочки и смеси за монтаж на безшевни подове. Нека да разгледаме набързо всеки от тях сега.

Линолеумите се изработват на базата на различни видове пълнители и полимери. Те могат също да включват пластификатори, помощни средства за обработка и пигменти. В зависимост от вида на полимерния материал се разграничават полиестерни (глифталови), поливинилхлоридни, каучукови, колоксилинови и други покрития. Освен това, според структурата, те се разделят на безосновни и със звуко- и топлоизолираща основа, еднослойни и многослойни, с гладка, вълнистаи гофрирана повърхност, както и едноцветни и многоцветни.

Материалите за плочки, направени на базата на полимерни компоненти, имат много ниска абразивна, химическа устойчивост и издръжливост. В зависимост от вида на суровината, този вид полимерни продукти се разделят на кумарон-поливинилхлорид, кумарон, поливинилхлорид, каучук, фенолит, битумни плочки, както и ПДЧ и плочи.

Материалите за безшевни подове са най-удобните и хигиенични за използване, те имат висока якост. Тези смеси обикновено се разделят на полимерен цимент, полимербетон и поливинилацетат.